单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。

2021/12/18 08:23 · 传感器知识资讯 ·  · 单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。已关闭评论
摘要:

单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。讲述电桥的平衡原理需要在了解电桥结构的基础之上才可能得到真正的了解。它的平衡原理是借助一个标准电阻变换箱,调节已知电阻的数值,当连接在电桥的桥路中间的表计显示平衡的时候,被测电阻就被调节电阻显示

单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。

讲述电桥的平衡原理需要在了解电桥结构的基础之上才可能得到真正的了解。
它的平衡原理是借助一个标准电阻变换箱,调节已知电阻的数值,当连接在电桥的桥路中间的表计显示平衡的时候,被测电阻就被调节电阻显示出来了。

一个电桥电路,无论其驱动是电流源还是电压源,只要两个相对桥臂的阻抗乘积相等,这个电桥就会平衡。所谓的平衡,是指电桥的输出电压信号等于0。
一个电桥中,相对桥臂乘积不相等时,电桥不平衡,输出端出现电压信号。电桥不平衡的程度越严重,输出信号也越大。
桥式传感器检测电路正是利用了电桥不平衡的原理工作。将传感器的感应元件作为电桥的1个或最多4个桥臂,当被测量(比如压力)发生变化导致感应元件的阻抗发生变化时,电桥的输出电压信号也同步发生变化。测量电桥的这个变化信号就可以准确测量被测工程量(比如压力)。
单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。  第1张

单桥传感器:基于桥式测量传感器实现构成惠斯通电桥电路的设计

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-M -M 位置传感器配套仪表

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
9 – 30

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(mA):
4 – 20

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
0 – 10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
7.5

主体特性

信号调节 - LVDT/RVDT 重量?(g):
117

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
DIN 3

使用环境

工作温度范围?:
-20 – 75?°C?[?0 – 165?°F?]

操作/应用

...

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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

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目前没有详细产品特性的在线信息。?

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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

12次
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-006 -006 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

目前没有详细产品特性的在线信息。?

发表于 08-21 02:00 ?

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-012 -012 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

电气特征

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 电源电压?(V):
±15

模拟输出?:
±10 V

电气连接?:
PT02A-10-6P

主体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外形尺寸?:
圆柱形

弹簧回弹式?:
分离式铁芯, 分离式铁芯

壳体特性

线性位移传感器 - LVDT/LVIT 外壳材料?:
不锈钢

外壳直径?:
4.78?mm?[?.188?in?]

使用环境

工作温度范围?:
0 – 70?°C?[?32 – 158?°F?]

环境规范?:
1,000 PSI 压力

...

发表于 08-21 01:00 ?

8次
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-M -M 角位移传感器 - RVDTRVIT

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。?

产品类型特性

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 类型?:
RVDT

结构特性

电气连接?:
M12.5 针

电气特征

Input Current (Max)?(mA):
25

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 输出类型?:
0 – 10 VDC

主体特性

角度感应范围?(°):
0 – 120

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 重量?(g):
99

外壳材料?:

机械附件

角度位移传感器 - RVDT/RVIT 安装?:
Servo Groove

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 -00 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
5 针连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
4 – 30

零加速输出?(mV):
±50

信号特征

频率响应?(Hz):
0-1500

主体特性

轴数?:
1

重量?:
16?g?[?.56?oz?]

材料?:
不锈钢

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-1 -1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

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结构特性

Resolver Size?:
21

Pole Pairs?:
1

其他

Angular Error?('):
20

发表于 08-21 01:00 ?

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315-120 315-120 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

12次
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-00 341A-240 即插即用加速度传感器

看产品文档,或?联系我们?以了解最新的机构审批信息。?

产品类型特性

即插即用加速度计传感器类型?:
电缆组件

发表于 08-21 01:00 ?

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4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-300

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

发表于 08-21 01:00 ?

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4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
MEMS DC

即插即用加速度计传感器类型?:
直流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
一体式电缆

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±2

励磁电压?(VDC):
8 – 36

零加速输出?(mV):
±100

励磁电流?(mA):
5

信号特征

频率响应?(Hz):
0-800

主体特性

轴数?:
1

重量?:
7?g?[?.245?oz?]

...

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603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
20.8 x 20.8 x 14.5

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
100...

发表于 08-21 01:00 ?

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-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

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产品类型特性

速率和惯性传感器类型?:
Rate Sensors/Gyros

电气特征

励磁电压?(VDC):
5 – 16

尺寸

尺寸 MM?:
14.6 x 10.2 x 7.6

使用环境

工作温度范围?:
-40 – 105?°C?[?-40 – 221?°F?]

包装特性

速率和惯性传感器包装?:
Anodized Aluminium

其他

精确度?:
±0.5% Non-Linearity

FS 范围 (±) DEG/SEC?:
...

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-000 -000 位置传感器配套仪表

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电气特征

线路电源电压要求?(VDC):
±12, ±15

信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型?(VDC):
±10

励磁电压?(Vrms):
3

信号特征

励磁频率?(kHz):
2.5 – 10

机械附件

信号调节 - LVDT/RVDT 安装?:
Printed Circuit Board Edge or Terminal Block

使用环境

工作温度范围?:
-1 – 55?°C?[?30 – 130?°F?]

其他

传感器类型?:
带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT

传感器通道?:
1

...

发表于 08-21 01:00 ?

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-000 -000 线性位移传感器 - LVDT

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使用环境

工作温度范围?:
5 – 60?°C?[?41 – 140?°F?]

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7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

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产品类型特性

加速度计类型?:
IEPE

即插即用加速度计传感器类型?:
交流响应即插即用加速度计

结构特性

电气连接?:
10-32 同轴连接器

电气特征

满量程输出电压?(VDC):
±5

励磁电压?(VDC):
18 – 30

励磁电流?(mA):
2 – 10

信号特征

频率响应?(Hz):
0.3-

主体特性

轴数?:
1

重量?:
8.6?g?[?.303?oz?]

材料?:
不锈钢

...

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-020 -020 倾角传感器和倾角仪

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结构特性

接口?:
模拟

电气特征

电源电压?(VDC):
12 – 24

模拟接口?(mA):
4 – 20

端接特性

倾角传感器和测斜仪安装?:
垂直

尺寸

尺寸?(mm):
最多 70

倾角传感器和测斜仪精确度?(°):
最多 +/- .5

分辨率?(°):
最多 +/- .01

使用环境

测量原理?:
液体

工作温度范围?:
-25 – 60?°C?[?-13 – 140?°F?]

包装特性

倾...

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-00 AST4300AP4P1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
非易燃压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
10 英尺导管

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

压力?:
344.73?bar?[?5000?psi?]

工作温度范围?:
-40 – 80?°C?[?-40 – 176?°F?]

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

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-00 AST4600AP4W1000 压力传感器

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产品类型特性

压力传感器类型?:
防爆型压力变送器

压力类型?:
测量仪

结构特性

压力端口/接头?:
1/4 MNPT

电气连接?:
导管 2 m 引线

电气特征

压力传感器电源电压?(V):
10 – 28

主体特性

端口材料?:
316L

使用环境

工作温度范围?(°C):
-40 – 85

工作温度范围?(°F):
-40 – 185, -40 – 185

操作/应用

耐压范围?:
2X,最小值

...

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单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。  第2张

单桥传感器:电桥式压力传感器工作原理分析

描述
电路的功能
应变仪、磁性电阻元件、半导体压力传感器等以电桥方式工作是很常见的。置方式有平衡驱动和方法又抱括恒压驱动和恒流驱动。本电路用数MA的恒定电流使传感器不平衡置偏,由仪表放大器接收。传感器采用扩散式压力传感器P-3000S-102G,压力范围为0~1KG/CM2。

电路工作原理
OP放大器A1为恒流输出电路,电流大小由基准电压VZ和传感电阻决定,本电路用可变电阻的最大阻,否则OP放大器输出会饱和、使工作不稳定。电桥电阻为为4.7K±30%,如果有1.5MA的偏流流过,就会产生最大为9.165V的等效电压,A1必须输出10.425V的电压,该电压是传感电压与电桥等效电压相加。调零方法是使电桥略不平衡,输出一定的电压进行调零。如果用下一级仪表放大器进行调零也行。平衡输入放大器加了滤除高频噪声的缓冲滤波器,时间常数根据最高响应频率确定。
仪表放大器为标准构成方式,该电路的增益AV由AV=1+(2R3/RG)决定,传感器输出灵敏度为100±30MV/FS,要使输出端获得0~+1V的电压,AV应等于7.7~14.3倍。RO的计算方法根据上面的公式为RO=2RS/(AV-1),所以RO=1.5~3K,考虑少许余量,在1K上串联一个2K的可变电阻。
调整
在传感器不加压情况下,调节VR1使偏流IB为1.5MA。断开传感器的一端,接上测量电流用的跨接线,对电流进行测量。没有必须进行准确的调节,可把VR1换成固定电阻。
用VR2调零,为了使变化范围不超出要求。R3、R4应尽量采用高阻值。最后给传感施加KG/CM2的压力,调整VR3直到输出端电压等于1.000V为止。为慎重起见,应收集0~1KG/CM2范围内的数据,并记录线性误差。
设计要点
采用半导体器件的传感器必定有温度系数,如果是P-3000S,用激光来微调厚膜电阻使具有较小的温度系数。但进行高精度测量时,必须考虑采用温度补偿电路问题,采取简单方法可用热敏电阻与RO串联,连升降环境温度,边进行调整。
这里采用了完善的差动放大电路,人们往往认为电路应具有低漂移特性,其实传感器输出为100MV/FS时,采用普通OP放大器就已是够了。
元件的选择
尽管所采用的传感器在元件表中没有列出,但如果是P3000S-102G,根据漂移等级,应在±0.02/0.04/0.1%FS中挑选。
基准电压二极管必须选用1.2V的产品。
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单桥传感器:什么是电桥平衡原理?试述其在传感器检测电路中的作用。  第1张

单桥传感器:采用信号调理IC驱动应变片电桥传感器

目前可以提供的应变片具有较宽的零应变电阻选择范围,可以选择的传感器材料和相关技术也非常广泛,但在大量应用中主要采用了几类数值(例如,120Ω和350Ω)。过去,标准值很容易实现与基本磁反射计的连接,这些反射计含有匹配输入阻抗网络,从而简化了应变测量。
应变片的类型和组成
金属应变片的生产采用了一定数量的合金,选择较小的应变片和应变材料温度系数差。钢、不锈钢和铝成为主要的传感器材料。也可以使用铍铜、铸铁和钛,“大部分”合金推动了温度兼容应变片的大批量低成本生产。350Ω铜镍合金应变片是最常用的。
厚膜和薄膜应变片具有可靠和易于生产的特性,适用于汽车行业,其生产一般采用陶瓷或者金属基底,在表面沉积绝缘材料。通过汽相沉积工艺将应变片材料沉积在绝缘层的表面。采用激光汽化或者光掩模和化学刻蚀技术在材料上刻出传感片和连接线。有时会加入保护绝缘层,以保护应变片和连接线。
应变片材料一般包括专用合金,以产生所需的应变片阻抗、阻抗压力变化,以及(出于温度稳定性)传感器和基本金属之间的最佳温度系数匹配等。针对该技术开发了标称3kΩ至30kΩ的应变片和电桥电阻,用于生产压力和力传感器。
电桥激励技术
应变片、薄膜和厚膜应变片传感器一般采用惠斯通电桥。惠斯通电桥将应变片应变产生的电阻转换为差分电压(图1)。+Exc和-Exc终端加上激励电压后,+VOUT和-VOUT终端上出现与应变成正比的差分电压。
图1. 惠斯通电桥配置中连接的应变片
在半有源惠斯通电桥电路(图2)中,电桥只有两个元件是应变片,它们响应材料中的应变。这种配置的输出信号(满量程负载一般为1mV/V)是全有源电桥的一半。
图2. 半有源惠斯通电桥配置中连接的应变片
另一种全有源电桥电路(图3)采用了四片以上有源350Ω应变片。特征电桥电阻是350Ω,输出灵敏度是2mV/V,应变片在较大范围内采用了应变材料。
图3. 一种16应变片惠斯通电桥配置
温度对传感器性能的影响
温度导致零负载输出电压漂移(也称为失调),在负载情况下使灵敏度出现变化(也定义为满量程输出电压),对传感器性能有不利的影响。传感器生产商在电路中引入温度敏感电阻,补偿这些变化的一阶影响,如图1至图3所示。
当温度变化时,电阻RFSOTC和RFSOTC_SHUNT调制电桥激励电压。一般而言,RFSOTC材料有正温度系数,电桥激励电压随温度升高而降低。随着温度的提高,传感器输出对负载越来越敏感。降低电桥激励电压能够减小传感器输出,有效地抵消内在温度效应。电阻RSHUNT对温度或者应变不敏感,用于调整RFSOTC产生的TC补偿量。0Ω的RSHUNT能够抵消RFSOTC的所有影响,而无限大的值(开路)将使能RFSOTC的所有影响。该方法补偿一阶温度灵敏度的效果非常好,但是不能解决更复杂的高阶非线性效应。
通过在电桥的一臂上插入温度敏感电阻来完成失调变化的温度补偿。这些电阻是图1至图3中所示的ROTC_POS和ROTC_NEG。分流电阻(ROTC_SHUNT)调整ROTC_POS或者ROTC_NEG引入的温度影响量。使用ROTC_POS或者ROTC_NEG取决于失调是正温度系数还是负温度系数。
怎样实现电流激励驱动
由于电桥电阻随负载变化,以及内置灵敏度补偿网络(图2中显示的RFSOTC和RFSOTC-SHUNT)中的电流过大或者电流反向等原因,使用电流来激励电桥传感器有很大的困难。
可以采用各种方法来解决这些问题,实现电流激励驱动。一种简单的方法是使用MAX1452,通过配置实现电压驱动。该电路包括很少的外部元件,这些元件可满足电压激励需要的大电流要求。MAX1452是全集成信号调理IC,完成传感器激励、信号滤波和放大、失调和灵敏度的温度线性化等。
MAX1452主要设计用于压力传感中的硅片压阻换能器(PRT)。它采用了4个16位Σ-Δ DAC (D-A转换器)、温度传感器和温度系数表来完成电桥传感器的温度补偿和线性化(图4)。在传感单元和电压输出之间通过模拟信号通路来完成温度补偿和放大。该IC借助很少的外部电路就可以适应金属片或者厚膜应变片,为惠斯通电桥提供电压激励以及更强的电流驱动能力。
图4. MAX1452是电桥传感器全集成信号调理IC
MAX1452包括PRT电流激励电路(图5)。电路包括一个电流镜像(T1和T2),将小参考电流放大14倍,足以驱动2kΩ到5kΩ的PRT传感器。在RISRC和RSTC上加电压可以获得参考电流。该电压由运算放大器U1反馈环路中的16位精度满量程输出D/A转换器(FSO DAC)设置。
图5. PRT电桥激励电路图
FSO DAC采用了Σ-Δ体系结构,其数字输入来自闪存中的温度系数表。温度每递增1.5°C,每4ms向DAC提供唯一的16位系数。DAC输出电压驱动p沟道MOSFET T1的栅极,随之向RISRC和RSTC驱动足够的电流,产生等于FSO DAC电压的电压。通过T1的电流,由T2镜像放大14倍,成为电桥驱动电流。
电阻RSTC使能传感器激励电流的一阶调制,该电流是温度的函数。对于硅片PRT换能器,当电流通过电桥时,从结果传感器电桥电压中获得温度。这类传感器在电桥电阻和温度之间具有很好的传输函数。通过电流激励电桥,您可以调整结果电桥电压,利用它对失调和灵敏度进行一阶补偿。这可以通过连接电桥电压(引脚BDR)和满量程输出温度补偿DAC (FSOTC DAC)的参考输入来实现。但是要记住,当使用金属片或者厚膜应变片时,一般不适合采用电流激励。
电压驱动电路
MAX1452的内部75kΩ电阻可用作RISRC和RSTC,也可以通过开关SW1和SW2连接外部电阻,如图5所示。通过ISRC引脚访问运算放大器,实现电桥驱动的电压反馈。图6、图7和图8介绍了三种不同的电压驱动电路。
图6. 高阻抗传感器电路图,没有使用外部器件
图7. 具有npn晶体管的低阻抗传感器电路图
图8. 使用外部RSUPP驱动的电路
对于2kΩ以上的高阻抗传感器,图6中的简单电路为电桥提供了电压驱动激励。打开SW1和SW2禁止FSOTC DAC调制电路。连接引脚ISRC和BDR形成运算放大器反馈环路,从而获得电桥激励电压反馈。通过向电桥源出电流,晶体管T1和T2 (并联)提高了电桥电压,使其等于FSO DAC电压。
惠斯通电桥电路中连接的低阻抗(120Ω至2kΩ)应变片或者厚膜电阻不能直接由T2驱动。采用射极跟随配置的外部npn晶体管可以解决这一问题(图7)。流过npn晶体管的电流直接来自集电极VDD电源。驱动T1和T2,使其足以导通,打开npn晶体管,使运算放大器U1提高电桥电压。为关闭环路,ISRC的电桥电压被反馈至运算放大器。对电桥电压进行稳压,以匹配FSO DAC输出电压,在电桥上加入一个小的0.1μF电容,以保持稳定。
npn晶体管的基射极电压(VBE)具有较大的温度系数,通过U1的反馈来消除方程中该项的影响。低温时,VBE较大,最大电桥电压限制为:
VBRIDGEMAX=VDD - VT2SAT - VBE
与VBE温度补偿相似,控制反馈环路消除了方程中的TNPN增益温度分量。
为低阻抗电桥提供足够驱动电流的另一方法是在T2上并联一个小的外部电阻(图8中的RSUPP)。RSUPP保证了电桥电压略小于所需的值(VDD=5.0V为3.0V)。T2提供更多的电流,把电桥电压提高到所需的值。由于T2处于OFF状态时,T2提供最小的电流,因此,应针对最差情况的小电桥电压来调整RSUPP。同样,T2的最大电流能力(VBDR=4.0V时2mA)决定了可用的最大电桥电压调制。该电路可以用于具有灵敏度(TCS)相对较低温度系数的电桥传感器,它不需要较大的电桥电压调制。
U1反馈消除了RSUPP温度系数导致的灵敏度效应。设计电路时,为保证适当的驱动电流余量,应考虑RSUPP功率降额最大值和最小值。
总结
MAX1452灵活的电桥激励方法大大提高了用户的设计自由度。本文主要关注带有和不带有电流放大的电压驱动电路,并介绍了其他电桥驱动配置。其他设计考虑包括在控制环路上使用外部温度传感器,在环路中送入OUT信号,实现传感器线性化(即,相对于测量参数的非线性)等。

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